Una pagina di storia della scienza e di epistemologia: Robert Boyle, il chimico scettico

di Vincenzo Villani, Dipartimento di Scienze, Università degli Studi della Basilicata

 

The Sceptical Chymist (1661) è l’opera fondamentale di Robert Boyle (1627-1691), natural phylosopher irlandese che contribuì ad elevare la chimica da arte pratica a scienza, accettando i risultati sperimentali del tempo ma, rifiutando le teorie metafisiche sovrapposte.

Nel ‘600 la struttura della materia era oggetto di profonde controversie. Prevaleva una visione d’ispirazione aristotelica che considerava la ‘materia formata’ che osserviamo intorno a noi, composta da quattro ‘elementi primitivi’: terra, aria, fuoco e acqua. Questi elementi sarebbero alla base dei ‘corpi misti’ risolvibili, in linea di principio, nei primi. Gli elementi fondamentali erano portatori di qualità (ovvero delle proprietà che hanno i corpi di originare sensazioni, di modificare gli altri corpi e di essere a loro volta modificati) che trasmettono ai composti: umido, secco, freddo e caldo. Un corpo risultava pesante o leggero in base alla proporzione di terra e aria che conteneva e così via…

Sottostante la materia formata, veniva postulata la ‘materia prima’ informe e continua: i quattro elementi ne erano costituiti e pertanto, in linea di principio, trasformabili l’uno nell’altro.

Sulla natura delle qualità, la visione aristotelica si biforcava nella teoria degli elementi, secondo la quale le proprietà dei composti derivano in modo diretto dalle qualità degli elementi primitivi, e nella teoria della forma, secondo la quale i composti conservano degli elementi solo la materia prima mentre, le proprietà o ‘forma sostanziale’ sarebbero un risultato peculiare, specifico per ogni tipo di corpo. Commentava Boyle:

Usando le forme sostanziali, gli aristotelici hanno fatto credere non necessario e senza speranze impiegare l’operosità umana nella ricerca delle particolari qualità e dei loro effetti, essi rendono facile risolvere tutti i problemi della natura in generale ma, fanno ritenere impossibile la risoluzione di quasi tutti in particolare (The origin of forms and quality, 1666). Al contrario, la teoria degli elementi stimolava la ricerca degli elementi costituenti per risalire alle proprietà dei corpi composti.

In termini moderni, i due approcci potrebbero essere detti, ‘lineare’ ove la proprietà osservata è la risultante semplice e prevedibile delle proprietà componenti: l’effetto è la somma delle cause, in simboli, A + B –> AB. ‘Non-lineare’, l’effetto è la risultante complessa ed imprevedibile di cause concorrenti dipendente dalle ‘condizioni al contorno ’, A + B –> [AB] –> C dà luogo ad un risultato nuovo stabile attraverso uno ‘stato di transizione’ instabile.

Tuttavia, la mole dei fatti sperimentali accumulata dai primi chimici resero obsoleta la teoria aristotelica dei quattro elementi: erano necessari elementi più attivi…più ‘chimici’!

Quindi, nel periodo rinascimentale, si diffuse la teoria dei ‘tria prima’ (dei tre elementi primi) inaugurata dal medico-chimico svizzero Paracelso (1493-1541) che fornì alla nascente chimica un nuovo strumento interpretativo.

Nella teoria dei tre elementi, le qualità di un corpo erano spiegate con la composizione degli elementi primi: sale, mercurio e zolfo. Il sale rendeva conto della solidità, solubilità, cristallinità,…; il mercurio, della malleabilità, fusibilità, non-infiammabilità,…; lo zolfo, dell’infiammabilità, dell’insolubilità, dell’untuosità,…

Boyle, contrappose alla teoria degli aristotelici quella dei chimici che definiva ‘teoria materialista’. I chimici sostenevano la loro teoria con argomenti sperimentali: dalla distillazione di materiali organici ed inorganici essi ottenevano sostanze che definivano sale, zolfo o mercurio sulla base rispettivamente della loro solidità, oleosità o volatilità. Ovviamente, gli elementi primi erano pensati di una purezza ideale non ottenibile alla fornace.

Per i chimici l’esperimento, ovvero la manipolazione in laboratorio delle sostanze, diviene la chiave di volta per decriptare la Natura; al contrario, per gli aristotelici logica e semplice osservazione erano condizioni necessarie e sufficienti.

Dal punto di vista epistemologico, i chimici adottavano il metodo induttivo promosso dal ‘Lord Cancelliere’ Francis Bacon (1561-1626), padre del metodo scientifico, privilegiando i fatti sperimentali sull’elaborazione di ipotesi interpretative: ‘hypoteses non fingo’, dirà Isaac Newton (1642-1727). Al contrario, gli aristotelici, restavano fedeli al metodo deduttivo, elaborando teorie generali (piuttosto fantasiose) a partire da pochi principi primi (accettati acriticamente).

Va sottolineato il ruolo, spesso sottovalutato, della sperimentazione chimica nell’affermazione del metodo scientifico, iniziato con la sintesi galileiana di ‘sensate esperienze e certe dimostrazioni’ (Lettere copernicane, 1613) che possiamo leggere come sintesi dei metodi induttivo e deduttivo: in pratica, i fatti da spiegare deduttivamente non sono più le semplici osservazioni della natura ma i fatti sperimentali osservati in condizioni controllate e riproducibili.

Gli aristotelici distinguevano i corpi in ‘naturali’ e ‘artificiali’: la chimica occupandosi di quest’ultimi era assimilata ad ‘arte pratica’, utile alla medicina e alla metallurgia ma, non alla filosofia. Boyle superò questa distinzione e promosse la nascente chimica a ramo importante della Natural Philosophy, sostenendo l’importanza degli esperimenti e rifiutando il ricorso a enti immateriali come le forme per spiegare le qualità.

Nell’introduzione allo Sceptical Chymist, Boyle critica la teoria dei tre principi primi, movendo ‘obiezioni a diverse delle quali molto probabilmente non hanno mai pensato, perché difficilmente un chimico le proporrebbe e solo un chimico potrebbe farlo’.

Ed egli è chimico, nel senso che padroneggia gli stessi esperimenti, le stesse pratiche, rifiutando tuttavia, l’ermetismo: ‘oscuro e quasi enigmatico modo di esprimere ciò che pretendono d’insegnare’.

Egli ritiene importanti le conoscenze sperimentali accumulate ma, rifiuta la teoria sovrapposta. I primi quattro capitoli dello Sceptical Chymist sono dedicati alle quattro principali obiezioni mosse:

  1. ‘Esistono motivi sufficienti per chiedersi fino a che punto, e in che senso, si possa ragionevolmente considerare il fuoco lo strumento unico e universale per l’analisi dei corpi misti’.

Egli osserva, si ottengono risultati diversi a seconda dell’intensità del fuoco e della procedura; esistono sostanze che il fuoco non scompone in alcun principio primo, ad esempio l’oro; alcune sostanze indecomponibili col fuoco possono essere decomposte in altro modo; le sostanze decomposte dal fuoco sono ancora sostanze composte; esistono modi di scomposizione più potenti del fuoco, come certi solventi.

  1. ‘Non è così certo, come tanto i chimici che gli aristotelici sono soliti pensare, che una sostanza apparentemente omogenea, o distinta, che venga separata da un corpo con l’aiuto del fuoco, fosse preesistente in quel corpo come suo principio o elemento’.

Infatti, egli commenta, i principi chimici potrebbero essersi prodotti ex novo; l’azione del fuoco produce sostanze nuove, come il vetro dal piombo e dalla cenere, che non sono elementi. Oggi parliamo di reazioni chimiche.

  1. ‘Non sembra che il numero vero ed esatto delle sostanze distinte, o elementi, in cui i corpi sono scomposti dal fuoco sia proprio tre’.
  1. ‘Pur sembrando corpi omogenei, le sostanze distinte non hanno né la purezza né la semplicità che devono avere gli elementi’.

Infatti, i chimici chiamano sale, zolfo o mercurio sostanze tra loro profondamente diverse.

Boyle approda all’atomismo riflettendo sulla natura delle qualità dei corpi. Ad esempio, l’ipotesi dei chimici, per cui il sale è portatore della solidità, ‘non ci insegna come l’acqua anche in vasi chiusi ermeticamente, raggeli, cioè si trasformi da un corpo fluido in uno solido, senza l’aggiunta di ingredienti salini’. Possiamo osservare trasformazioni qualitative senza che sia tolta o aggiunta materia ai corpi: come è possibile ciò? Per Boyle, la spiegazione più plausibile di questi fenomeni è che le qualità dipendono dallo stato di moto e dalla disposizione delle particelle costituenti la struttura interna della materia.

Egli aderisce in modo originale alla teoria atomistica in quegli anni sviluppata dai francesi padre Gassendi (1592-1655) e Cartesio (1596-1650). Per Gassendi gli atomi sono indivisibili, compatti, in moto nel vuoto e conservano l’impeto che Dio ha loro comunicato. Danno origine alle qualità dei corpi composti in base alla loro forma, dimensione e composizione. Per Cartesio, la materia è essenzialmente estensione; immagina minuti vortici divisibili che riempiono lo spazio e le qualità vengono associate al moto della materia sottile (l’etere) che riempie lo spazio lasciato vuoto dalla materia ordinaria. A conservarsi non è il moto di ciascuna particella ma, quella totale.

Gassendi e Cartesio avevano raggiunto un compromesso tra scienza e religione, eliminando dal meccanicismo ogni aperto contrasto con la fede. In Boyle, il meccanicismo diviene la filosofia della natura più adatta alla religione. Man mano che la scienza progredisce mediante spiegazioni meccaniche dei fenomeni naturali, diventerebbe palese il mirabile ordine dell’universo frutto dell’opera intelligente del suo creatore. Per Boyle l’uomo religioso deve studiare la scienza, poiché la Natura è opera di Dio al pari dei testi della rivelazione. Lo stesso Galilei (1564-1642) aveva affermato:

Nelle dispute di problemi naturali non si dovrebbe cominciare dalle autorità di luoghi delle Scritture, ma dalle sensate esperienze e dalle dimostrazioni necessarie perché, procedendo di pari dal Verbo divino la Scrittura Sacra e la natura, quella come dettatura dello Spirito Santo, e questa come osservantissima essecutrice de gli ordini di Dio

Quindi, Boyle sviluppa la sua teoria corpuscolare su due livelli, nel primo leggiamo:

1)    ‘Concordo con la generalità dei filosofi quanto ad ammettere una materia universale e generale comune a tutti i corpi, con la quale intendo una sostanza estesa, divisibile e impenetrabile’.

2)    ‘Poiché la materia è una nella sua propria natura, le diversità osservate devono necessariamente provenire da altro’.

3)    Questo quid è il moto infatti, senza movimento non è possibile il cambiamento ( come aveva sostenuto già il presocratico Eraclito (535-475 a.C.)): ‘il moto locale sembra essere la principale tra le seconde cause’, essendo la prima Dio (Logos o Legge universale).

4)    La materia viene ‘divisa in parti per effetto del moto; queste parti sono necessariamente dotate di dimensione, forma e movimento o quiete’.

E’ questo un punto importante che differenzia Boyle da Gassendi e Cartesio in modo profondo e oserei dire, moderno: i corpuscoli (e quindi le qualità della materia) sono originati dalle variazioni del moto della materia prima! In questa visione, abbiamo una materia unica, universale e continua, sede di oscillazioni che rappresentano le particelle stesse: il moto genera le particelle, non viceversa. Non abbiamo atomi preesistenti in moto o in quiete ma, materia continua in moto o in quiete da cui emergono gli atomi. Una visione del genere è per certi versi analoga all’odierna teoria delle stringhe, in cui le particelle fondamentali corrispondono a vibrazioni dello spazio-tempo.

5)    ‘In ogni distinta porzione di materia formata da un certo numero di corpuscoli sorgono due nuovi accidenti o possibilità: la posizione e l’ordine che insieme costituiscono il tessuto di un corpo’. L’ordine indica la disposizione dei corpuscoli riferiti l’uno all’altro; la posizione invece, indica la disposizione di un corpuscolo rispetto a un punto di riferimento esterno.

6)    Le qualità ‘non sono entità reali, distinte o diverse dalla materia stessa con la sua determinata grandezza, figura ed altre qualificazioni meccaniche’. Le qualità sono associate al comportamento dinamico delle particelle in un quadro che ricorda ante litteram la moderna termodinamica statistica a partire da James Clerk Maxwell (1831-1879) e Ludwig Boltzmann (1844-1906).

Nel secondo livello, Boyle analizza le caratteristiche dei corpuscoli stessi: in tre passaggi è ipotizzata la struttura della materia.

1)    Abbiamo i ‘minima’ o ‘prima naturalia’ che ‘sebbene siano divisibili, la natura non li divide quasi mai a causa della loro piccolezza e solidità’. Sono particelle estremamente stabili, particelle subatomiche ante litteram.

2)    I ‘minima’ si uniscono in ‘cluster’ (grappoli, le molecole moderne) che sono divisibili ma ‘che molto raramente accade che siano effettivamente dissolti o rotti’. Entità dotate di forte stabilità, gli atomi moderni. Naturalmente, esse sfuggono ai nostri sensi.

3)    I ‘cluster’ si uniscono per formare i corpuscoli di cui è costituita la materia, le molecole moderne.

I ‘prima naturalia’ sono gli atomi di Leucippo (V secolo a.C) e Democrito (460-370 circa a.C.) non più assolutamente indivisibili. Le proprietà essenziali, size and shape, corrispondono a moles e figura degli antichi atomisti. La terza proprietà essenziale, il moto, viene rivisitata. Sia per gli antichi che per Gassendi, il moto è intrinseco all’atomo; al contrario Boyle sviluppa la concezione cartesiana del moto che anima l’etere all’origine di particelle e qualità e che si conserva come quantità globale.

Questa, per grandi linee, l’ontologia Boyliana: in che senso la sua ipotesi fu un passo avanti rispetto alle visioni di aristotelici e chimici? E’ lo stesso Boyle a chiarirlo elencando i requisiti metodologici alla base di una buona ipotesi:

1)    ‘che sia intelligibile

2)    ‘che non contenga niente di impossibile o assurdo

3)    ‘che sia coerente con se stessa

4)    ‘che sia adatta e sufficiente a spiegare i fenomeni, in particolar modo i principali

5)    ‘che non contraddica nessun altro fenomeno naturale noto ‘.

Intelligibilità, chiarezza e coerenza sono requisiti che le teorie aristotelica e dei primi chimici non possiedono: gli aristotelici spiegano le qualità con enti immateriali come le forme e i chimici: ‘Dirci, per esempio, che tutta la solidità deriva dal sale significa solo informarci in quale principio quella qualità risiede, non come si produce’.

Il vero problema è mostrare ‘come’ le qualità si producono, non ‘chi’ le possiede. In questo modo l’ipotesi meccanicistica che associa le qualità al moto permette di fare a meno di principi a priori oscuri e spiegare i fenomeni con due soli principi semplici, moto e materia: hardware e software!

Il programma di Boyle fu quello di fornire una base sperimentale alla sua visione filosofica: in questo senso va interpretata la sua vasta produzione sperimentale.

L’ipotesi meccanicistica deve essere confrontata coi dati sperimentali riguardanti particolari qualità e deve essere confermata o smentita da essi’.

Sebbene quest’approccio filosofico è risultato perdente, il contributo duraturo di Boyle è stato proprio nell’aver contribuito all’affermazione del meccanicismo e della chimica mostrando la via dell’origine delle proprietà e la necessità di andare oltre i tre principi primi, alla ricerca degli elementi chimici.